Site Loader

Примесные полупроводники

В статье проводимость полупроводников мы выяснили, что в беспримесном (собственном) полупроводнике, движение носителей заряда осуществляется за счёт процессов термогенерации и рекомбинации.

В примесных полупроводниках носители заряда создаются благодаря вводимой в кристалл примеси. Это делается для того чтобы создать полупроводник электронной или дырочной проводимости. В полупроводнике электронной проводимости (n -типа) основными носителями заряда являются электроны, а полупроводнике дырочной проводимости (p -типа) – дырки.

Чтобы создать примесный полупроводник n – типа, в кристалл вводят донорную примесь. Донорной она называется потому, что добавляет электроны в структуру кристалла. Например, если в кремний ввести атом элемента из 5 группы таблицы Менделеева, то получится избыточный электрон. Это произойдёт потому, что кремний, имеющий 4 валентных электрона, образует ковалентную связь только с 4 электронами фосфора, который имеет 5 валентных электронов. Получается, один электрон окажется слабо соединённым со своим атомом, и достаточно даже небольшого воздействия, чтобы он его покинул и перешёл в зону проводимости. При этом атом примеси становится положительным ионом.

 

Избыточные электроны на энергетической диаграмме располагаются на так называемых локальных валентных уровнях. Эти уровни расположены в запрещенной зоне совсем рядом с зоной проводимости. Для того чтобы попасть в неё, электронам локального уровня необходимо получить около 0,1 эВ. Выходит, что в зоне проводимости оказываются в основном электроны созданные примесью, так как им легче перейти в неё, чем тем электронам, который находятся в валентной зоне и которым необходимо перейти всю запрещенную зону. Поэтому электронов оказывается во много раз больше чем дырок, и они являются основными носителями, а дырки неосновными

.

Чтобы создать полупроводник p— типа, в кристалл вводится акцепторная примесь. Например, если ввести в кристалл германия атом индия, то в результате получится положительный нескомпенсированный заряд. Это произойдёт потому, что германий имеет 4 валентных электрона, а индий 3. Индий образует ковалентную связь с тремя ближайшими атомами германия, а одна связь будет разрушена и на её месте останется дырка. При незначительном увеличении температуры соседние электроны займут эту дырку, но тем сам они оставят её в другом месте. Таким образом, получится движение положительного заряда. На рисунке показано, где может располагаться дырка в примесном атоме и электрон, который с увеличением температуры займет её место.

На энергетической диаграмме, дырки акцепторной примеси создают локальные валентные уровни в запрещенной зоне, вблизи валентной зоны. Энергия, которая требуется для перехода электронам на локальные уровни, крайне мала, поэтому при воздействии температуры, все они оказываются заполненными электронами, перешедшими из валентной зоны. В связи с этим, в валентной зоне повышается концентрация дырок, вызванная акцепторной примесью. Следовательно, основными носителями заряда в полупроводнике являются дырки, образованные примесью, а электроны являются неосновными носителями.

 

Концентрация носителей заряда зависит от температуры. При самых низких температурах, в зону проводимости начинают проходить электроны примеси. Это продолжается до некоторого значения, пока все электроны не перейдут. Затем с дальнейшим ростом температуры начинает происходить процесс термогенерации и образовываться новые электроны и дырки. В конечном итоге может стать так, что количество дырок будет примерно соответствовать количеству электронов, другими словами произойдет 

вырождение полупроводника.

  • Просмотров:
  • Примесные полупроводники

    ПОЛУПРОВОДНИКИ

    Полупроводники — это вещества, у которых проводимость сильно зависит от концентрации примесей, температуры, электрического поля, света и других факторов: германий Ge , кремний Si , окислы, сульфиды, нитриды, карбиды.

     

    Основные положения электропроводности

     

    Собственная электропроводность

     

    Основные полупроводниковые материалы – четырехвалентные кремний (Si) или германий (Ge). Они имеют кристаллическую структуру. Каждый атом кристалла связан ковалентными связями с четырьмя соседями. В чистом, беспримесном полупроводнике при Т=00К все валентные электроны связаны и в зоне проводимости свободных электронов, способных переносить ток, нет. При повышении температуры часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, которая отделяет валентную зону от зоны проводимости, отрывается от своего атома и становится свободными, а полупроводник — электропроводным.

    Незаполненный, вакантный, энергетический уровень, который остается в валентной зоне после ухода электрона, называется дыркой. Дыркой также называется разорванная ковалентная связь в кристаллической решетке. На вакантное место могут переходить свободные электроны от соседних атомов, создавая дырки в другом месте. Перемещение дырок по кристаллу можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных частиц.

    Электропроводность беспримесного полупроводника, обусловленная парными носителями зарядов (электронами и дырками), называется собственной.

    Процесс образования пар электронов и дырок — генерация, сопровождается процессом восстановления разорванных связей — рекомбинацией, когда электрон “захватывается” дыркой, при этом пара носителей исчезает.

    Промежуток времени от момента генерации носителя заряда до ее рекомбинации называется временем жизниtnи tp, а расстояние, пройденное за время жизни — диффузионной длиной

    Ln и Lp. Они связаны соотношениями Ln= Lp= ,где Dn , Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок.

    Концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны DW:

    (см-3),

    где

    Nc»1020 см -3— эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

    kT — кинетическая энергия частицы.

    У германия DW=0.72 эВ, у кремния DW=1.12 эВ. При комнатной температуре Т=2930К концентрация электронов проводимости (и дырок) в германии ni=2.5*1013(см–3), в кремнии n

    i=1.4*1010 (см—3). Для сравнения, плотность вещества » 1022(см –3). Как видно, концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике мала, хотя с повышением температуры она будет расти.

    Кроме тепловой генерации, возникновение новых электронно-дырочных пар может происходить под действием энергии электрического поля, за счет кинетической энергии движущихся частиц (ударная генерация), за счет энергии светового потока — фотонов (световая генерация).

     

    Примесные полупроводники

    Небольшое содержание примеси (1 атом на 106 атомов полупроводника) существенно изменяют электрические свойства. Примесные атомы также располагаются в узлах кристаллической решетки, т.е. занимают место атома основного материала. При этом атом примеси участвует в тех же ковалентных связях с соседними атомами с помощью обобществленных электронов. В качестве примесей применяются 3-х и 5-ти валентные металлы.

    Донорные примесиэто 5-валентные металлы (для германия — мышьяк As, сурьма Sb, для кремния — фосфор P). Четыре валентных электрона примесного атома участвуют в межатомных связях, а пятый слабо связан со своим ядром и может легко перейти в зону проводимости, т.е. имеет малую энергию ионизации DWд. При довольно низких температурах все примесные атомы ионизированы, т.е. концентрация свободных электронов гораздо больше, чем дырок. В этом полупроводнике преобладает электронная электропроводность, и он называется электронным полупроводником, или полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями: n

    n>>pn.

    Акцепторные примесиэто 3-х валентные металлы (для германия — индий In, для кремния — алюминий Al или бор В). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки атом примеси захватывает недостающий свободный электрон одного из атомов основного материала. При этом примесный атом превращается в отрицательный неподвижный ион, а на месте ушедшего электрона появляется дырка, которая добавляется к собственным дыркам. Для ионизации акцепторных атомов необходима небольшая дополнительная энергия DWa=0.02 эВ, т.е. уровни примесных атомов близки к валентной зоне. При небольших температурах все атомы примеси ионизированы и в этом полупроводнике преобладает концентрация дырок. Он называется дырочным полупроводником, или р-типа.

    Дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными:

    pp>>np.

    Для примесных полупроводников справедливо равенство:

    nnpn=nppp=nipi=const.

    В полупроводнике n-типа концентрация донорной примеси Nд>>ni, поэтому можно считать, что концентрация основных носителей

    nn=Nд+ni»Nд,

    а неосновных носителей

    pn=nipi/nn=ni2/Nд.

    Аналогично в полупроводнике р-типа концентрация основных носителей

    pp»Na,

    где Naконцентрация акцепторных примесных атомов,

    np»ni2/Na.

    С ростом температуры увеличивается концентрация неосновных носителей заряда — по экспоненциальному закону. После превышения некоторой температуры полупроводник вырождается, т.к. концентрации неосновных и основных носителей сближаются. Германиевые приборы могут работать до +85

    0
    С, кремниевые — до + 1500С.

     

    Токи в полупроводнике

    Токи в полупроводнике могут быть обусловлены двумя механизмами:

    1) электрическим полем;

    2) наличием градиента концентрации подвижных носителей заряда.

    Наличие электрического поля Е, или градиента потенциала вдоль координаты x: Е= — dj/dx вызывает движение электронов и дырок, т.е. дрейфовый ток. Дырки движутся в направлении вектора Е, т.е. в направлении уменьшения потенциала, а электроны — навстречу.

    Плотность дырочного дрейфового тока j

    р.др=qpmpE (A/см2), а электронного – jn.др=qnmnE, где

    q — заряд частицы (электрона — отрицательный, дырки — положительный),

    p,n — концентрация носителей заряда,

    mp mn— подвижность носителей.

    Суммарный дрейфовый ток

    jдр=jр.др+jn.др=(qpmp+qnmn)E.

    Это выражение — закон Ома в дифференциальной форме:

    j=sE,

    где s=(qpmp+qnmn)— удельная проводимость полупроводника.

    Наличие неравномерной концентрации подвижных частиц вдоль координаты x, т.е. градиента или , вызывает диффузию этих носителей навстречу вектору градиента. Плотности диффузионных токов дырок и электронов

    jдиф= – qDp ; jn.диф= qDn

    Суммарный диффузионный ток

    jдиф=jp.диф+jn.диф= -qDp + qDn

    Для определения плотности полного тока в полупроводнике j=jдр+jдифнеобходимо знать напряженность поля Е, и распределение концентрации электронов и дырок n(x), p(x).


    Читайте также:


    Рекомендуемые страницы:

    Поиск по сайту

    Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости

    Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости

    «Физика — 10 класс»

    Почему сопротивление проводников зависит от температуры?
    Какие явления наблюдаются в состоянии сверхпроводимости?

    Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых имеет промежуточное значение между удельным сопротивлением металлов (10-6—10-8 Ом • м) и удельным сопротивлением диэлектриков (108—1013 Ом • м).

    Отличие проводников от полупроводников особенно проявляется при анализе зависимости их электропроводимости от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен, индий, мышьяк и др.) и соединений (PbS, CdS, GaAs и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растёт, как у металлов (см. рис. 16.3), а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 16.4).

    Такое свойство присуще именно полупроводникам.

    Из графика, изображённого на рисунке, видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико. Это означает, что при низких температурах полупроводник ведёт себя как диэлектрик. По мере повышения температуры его удельное сопротивление быстро уменьшается.

    Строение полупроводников.

    Для того чтобы включить транзисторный приёмник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом. Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала необходимо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого придётся вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга.


    Для примера рассмотрим кристалл кремния.

    Кремний — четырёхвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке его атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырём. Схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке (16.5).

    Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, электроны отделяются от атома, которому они принадлежат (коллективируются кристаллом), и при своём движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

    Не надо думать, что коллективированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

    Парноэлектронные связи в кристалле кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны являются как бы цементирующим раствором, удерживающим кристаллическую решётку, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

    Электронная проводимость.

    При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторённые пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, создавая электрический ток (рис. 16.6).

    Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью.

    При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 1017 до 1024 1/мл3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

    Дырочная проводимость.

    При разрыве связи между атомами полупроводника образуется вакантное место с недостающим электроном, которое называют дыркой.

    В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, не разорванными связями (см. рис. 16.6).

    Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

    Если напряжённость электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок происходит беспорядочно и поэтому не создаёт электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок.

    Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов (рис. 16.7).

    В отсутствие внешнего поля на один свободный электрон (-) приходится одна дырка (+). При наложении поля свободный электрон смещается против напряжённости поля. В этом направлении перемещается также один из связанных электронов. Это выглядит как перемещение дырки в направлении поля.

    Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки.

    Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью полупроводников.

    Мы рассмотрели механизм проводимости чистых полупроводников.

    Проводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью.

    Примесная проводимость.

    Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов: например, в германии при комнатной температуре nе = 3 • 1013 см-3. В то же время число атомов германия в 1 см3 порядка 1023.

    Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

    Проводимость полупроводников можно существенно увеличить, внедряя в них примесь. В этом случае наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость.

    Проводимость проводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей (атомов посторонних химических элементов), называется примесной проводимостью.

    Донорные примеси.

    Добавим в кремний небольшое количество мышьяка. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным (рис. 16.8).

    При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 1016 см-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.

    Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями.

    Свободные электроны перемещаются по полупроводнику подобно тому, как перемещаются свободные электроны в металле.

    Полупроводники, имеющие донорные примеси и потому обладающие большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), называются полупроводниками n-типа (от английского слова negative — отрицательный).

    В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

    Акцепторные примеси.

    Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трёхвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостаёт одного электрона, который он берёт у соседнего атома кристалла. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси (рис. 16.9).

    Примеси в полупроводнике, создающие дополнительную концентрацию дырок, называют акцепторными (принимающими) примесями.

    При наличии электрического поля дырки перемещаются направленно и возникает электрический ток, обусловленный дырочной проводимостью.

    Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа (от английского слова positive — положительный).

    Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными — электроны.

    Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией одного из носителей тока электронов или дырок. Эта особенность полупроводников открывает широкие возможности для их практического применения.

    Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



    Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

    Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

    Примесный полупроводник — это… Что такое Примесный полупроводник?

    
    Примесный полупроводник

    7. Примесный полупроводник

    Полупроводник, электропроводность которого определяется примесями

    Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

    • Примесный дефект решетки
    • Примесный уровень полупроводника

    Смотреть что такое «Примесный полупроводник» в других словарях:

    • примесный полупроводник — Полупроводник, электропроводность которого определяется примесями. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые …   Справочник технического переводчика

    • примесный полупроводник — priemaišinis puslaidininkis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. extrinsic semiconductor; impurity semiconductor vok. Extrinsic Halbleiter, m; Störstellenhalbleiter, m rus. примесный полупроводник, m pranc. semi conducteur à impuretés …   Automatikos terminų žodynas

    • примесный полупроводник — Полупроводник, содержащий донорные и (или) акцепторные примеси …   Политехнический терминологический толковый словарь

    • скомпенсированный полупроводник — Примесный полупроводник, в котором концентрации ионизованных доноров и акцепторов равны друг другу …   Политехнический терминологический толковый словарь

    • скомпенсированный полупроводник — Примесный полупроводник, в котором в нормальных условиях концентрации электронов проводимости и дырок проводимости одинаковы. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые …   Справочник технического переводчика

    • частично компенсированный полупроводник — Примесный полупроводник, электронная (дырочная) проводимость которого частично компенсирована дырочной (электронной) проводимостью примесей. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые …   Справочник технического переводчика

    • Скомпенсированный полупроводник — 12. Скомпенсированный полупроводник Примесный полупроводник, в котором в нормальных условиях концентрации электронов проводимости и дырок проводимости одинаковы Источник: ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    • Частично компенсированный полупроводник — 11. Частично компенсированный полупроводник Примесный полупроводник, электронная (дырочная) проводимость которого частично компенсирована дырочной (электронной) проводимостью примесей Источник: ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    • ГОСТ 22622-77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров — Терминология ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров оригинал документа: 11. Акцептор Дефект решетки, способный при возбуждении захватывать электрон из валентной зоны Определения… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    • Селен — (Selenium)         Se, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 34, атомная масса 78, 96; преимущественно неметалл (См. Неметаллы). Природный С. представляет собой смесь шести устойчивых изотопов (%) 74Se… …   Большая советская энциклопедия

    Собственная и примесная проводимость полупроводников

    Собственная проводимость полупроводников

    В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ($\triangle E$). Основную зону полупроводника называют валентной зоной, зону возбужденных состояний — зоной проводимости. При T=0 К валентная зона заполнена целиком, при этом зона проводимости свободна. Следовательно, вблизи абсолютного нуля полупроводники не проводят ток. Вообще говоря, диэлектрики и полупроводники отличаются с точки зрения зонной теории, только шириной запрещенной зоны ($\triangle E$). Условно к диэлектрикам относят полупроводники у которых $\triangle E>2эВ.$

    Примечание 1

    У полупроводников с повышением температуры электроны обмениваются энергией с ионами кристаллической решетки. Из-за этого электрон может обрести добавочную кинетическую энергию размера $\approx kT.\ $Этой энергии может хватить для того, чтобы некоторую часть электронов перевести в зону проводимости. Эти электроны в зоне проводимости проводят ток.

    В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые не заняты электронами. Такие состояния получили названия дырок. Дырки являются носителями тока. Электроны могут рекомбинировать с дырками (совершать квантовые переходы в незаполненные состояния, то есть дырки). Прежние заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. Последние рекомбинируют с новыми электронами, вновь образуются дырки. В результате этих процессов устанавливается равновесная концентрация дырок, эта концентрация одинакова по всему объему проводника, если нет внешнего поля. Квантовый переход электрона сопровождается его перемещением против поля. Он уменьшает потенциальную энергию системы. Переход, связанный с перемещение в направлении поля увеличивает потенциальную энергию системы. Переходы против поля преобладают над переходами по полю, что значит, через полупроводник начнет течь ток в направлении приложенного электрического поля. В незамкнутом полупроводнике ток будет течь, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее поле. Конечный результат явления такой же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников.

    Истинными носителями тока в металлах и полупроводниках реальны электроны, дырки введены формально. Дырок, как реально существующих положительно заряженных частиц не существует. Однако, оказалось, что в электрическом поле дырки перемещаются так, как двигались бы при классическом рассмотрении положительно заряженные частицы. Из-за небольшой концентрации электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне можно применять классическую статистику Больцмана.

    Примечание 2

    Проводимость полупроводников, и электронная, и дырочная не связана с наличием примесей. Она называется собственной электропроводностью полупроводников.

    В идеально чистом полупроводнике без всяких примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, то есть количество электронов и дырок, которые участвуют в создании тока, было бы одинаково.

    Идеально чистые полупроводники в природе не существуют, изготовить из искусственно крайне сложно. Малые следы примесей качественным образом изменяют свойства полупроводников.

    Примесная проводимость полупроводников

    Электрическая проводимость полупроводников, которая вызвана наличием примесей атомов других химических элементов, называется примесной электрической проводимостью. Самые небольшие количества примесей могу существенно увеличивать проводимость полупроводников. В металлах, наблюдается обратное явление. Примеси всегда уменьшают проводимость металлов.

    Увеличение проводимости при наличии примесей объясняют тем, что в полупроводниках появляются дополнительные энергетические уровни, которые находятся в запрещенной зоне полупроводника.

    Донорные примеси

    Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появились около нижнего края зоны проводимости. В том случае, если интервал энергии, который отделяет дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал в сравнении с шириной запрещенной зоны, то число электронов в зоне проводимости, следовательно, сама проводимость полупроводника увеличится. Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называют донорами (донорными примесями). Дополнительные энергоуровни, при этом, называют донорными уровнями.

    Полупроводники, имеющие донорные примеси называют электронными (полупроводниками n-типа).

    Акцепторные примеси

    Пусть с введением примеси добавочные уровни возникают около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из валентной зоны переходят на эти добавочные уровни. В валентной зоне при этом появляются дырки, так возникает дырочная электропроводность полупроводника. Такие примеси называют акцепторами (акцепторными примесями). Дополнительные уровни при этом называют акцепторными уровнями.

    Полупроводники, имеющие акцепторные примеси называют дырочными (полупроводниками p-типа). Могут существовать смешанные полупроводники.

    Каким видом проводимости обладает полупроводник (электронной или дырочной) судят по знаку эффекта Холла.

    Процесс введения примесей называется легированием. При очень больших концентрациях примесных уровней может наблюдаться расщепление примесных уровней, в результате чего они могут перекрыть границы соответствующих энергетических зон.

    Пример 1

    Задание: Объясните, каким типом примеси могут служить атомы мышьяка, атомы бора в кристаллической решетке кремния?

    Решение:

    Рассмотрим кремний и мышьяк. Кремний — четырехвалентный атом, следовательно, атом кремния имеет четыре электрона. Мышьяк пятивалентен, значит, его атом содержит пять электронов. Пятый электрон может отщепиться от атома мышьяка из-за теплового движения. Положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния, встав не его место. Так, между узлами решетки появится электрон проводимости. Следовательно, получается, что мышьяк является донорной примесью для кремния.

    Рассмотрим бор, как примесь к кремнию. Наружная оболочка атома бора имеет три электрона. Атом бора может захватить недостающий четвертый электрон, из какого — либо соседнего с ним места кристалла кремния. В этом месте появляется дырка, а появившийся отрицательный ион бора может вытеснить из кристаллической решетки атом кремния и занять его место. В кристалле кремния возникает дырочная проводимость. Бор — акцепторная примесь.

    Ответ: Мышьяк — донорная примесь в решетке кремния, бор — акцепторная примесь для кремния.

    Пример 2

    Задание: В термоэлементах в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других от полупроводника к металлу, объясните, почему?

    Решение:

    Именно различие между электронной и дырочной проводимостью полупроводников объяснятся процесс, описанный в условии задания.

    В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном. Следовательно, электроны просачиваются (диффундируют) от горячего конца к холодному до тех пор, пока возникающее из-за перераспределения зарядов электрическое поле не останавливает поток диффундирующих электронов. После установления равновесия горячий конец, который потерял электроны, имеет положительный заряд, холодный конец, получил избыток электронов, следовательно, имеет отрицательный заряд. Значит, между горячим и холодным концами появляется разность потенциалов (положительная).

    В дырочном полупроводнике происходит обратный процесс. Диффузия дырок проходит от горячего конца к холодному. При этом горячий конец получает отрицательный заряд, холодный конец заряжается положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами отрицательный.

    § 243. Примесная проводимость полупроводников

    Проводимость полупроводников, обуслов­ленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примес­ная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим соста­вом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещи­ны, дислокации и т. д.) дефектами. На­личие в полупроводнике примеси су­щественно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний при­мерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10б раз.

    Примесную проводимость полупровод­ников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 319, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеп­лен от атома, т. е. стать свободным. Обра-

    391

    зование свободного электрона не сопро­вождается нарушением ковалентной свя­зи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного в § 242, дырка не возника­ет. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, свя­зан с атомом примеси и поэтому переме­щаться по решетке не может.

    С точки зрения зонной теории рассмот­ренный процесс можно представить следу­ющим образом (рис. 319, б). Введение примеси искажает поле решетки, что при­водит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого при­месным уровнем. В случае германия с при­месью мышьяка этот уровень располагает­ся от дна зоны проводимости на расстоя­нии E0=0,013 эВ. Так как ED<kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующие­ся при этом положительные заряды лока­лизуются на неподвижных атомах мышь­яка и в проводимости не участвуют.

    Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных ато­мов, носителями тока являются электро­ны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). По­лупроводники с такой проводимостью на­зываются электронными (или полупровод­никами n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются доно­рами, а энергетические уровни этих при­месей — донорными уровнями.

    Предположим, что в решетку крем­ния введен примесный атом с тремя ва­лентными электронами, например бор (рис. 320, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захва­чен от соседнего атома основного вещест­ва, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образую­щихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избы­точный же отрицательный заряд, возника­ющий вблизи атома примеси, связан с ато-

    392

    мом примеси и по решетке перемещаться не может.

    По зонной теории, введение трехва­лентной примеси в решетку кремния при­водит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края вален­тной зоны на расстоянии EA = 0,08эВ (рис. 320, б). Близость этих уровней к ва­лентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах элек­троны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атома­ми бора, теряют способность перемещать­ся по решетке кремния, т. е. в проводимо­сти не участвуют. Носителями тока явля­ются лишь дырки, возникающие в валент­ной зоне.

    Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на едини­цу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возника­ет дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводи­мостью называются дырочными (или по­лупроводниками р-типа). Примеси, захва­тывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцептора­ми, а энергетические уровни этих приме­сей — акцепторными уровнями.

    В отличие от собственной проводимо­сти, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная про­водимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами—в случае донорной приме­си, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупровод­нике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа — дырки, в по­лупроводниках р-типа — электроны.

    Наличие примесных уровней в полу­проводниках существенно изменяет поло­жение уровня Ферми EF. Расчеты показы­вают, что в случае полупроводников n-ти­па уровень Ферми EF0 при 0 К расположен

    посередине между дном зоны проводимо­сти и донорным уровнем (рис. 321). С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состоя­ний в зону проводимости, но, помимо это­го, возрастает и число тепловых флуктуа­ции, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплош­ная кривая) к своему предельному поло­жению в центре запрещенной зоны, ха­рактерному для собственного полупро­водника.

    Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К EF0 располагается посере­дине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис.322). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При темпе­ратурах, при которых примесные атомы

    393

    оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей про­исходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в соб­ственном полупроводнике.

    Проводимость примесного полупровод­ника, как и проводимость любого провод­ника, определяется концентрацией носите­лей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей ме­няется по сравнительно слабому степенно­му закону, а концентрация носителей — по очень сильному экспоненциальному за­кону, поэтому зависимость проводимости примесных полупроводников от температу­ры определяется в основном температур­ной зависимостью концентрации носите­лей тока в нем. На рис. 323 дан примерный график зависимости ln от 1для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость по­лупроводника. Рост примесной прово­димости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном рос­том концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области исто­щения примесей (это подтверждают и экс­перименты), участок CD описывает собст­венную проводимость полупроводника.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *